6第6章基与PLC的模拟量采集及闭环控制系统

200第6章PLC模拟量采集及闭环控制系统6.1模拟量闭环控制系统在自然界（生产过程）中，许多变化的信息如：温度、压力、流量、液位、产品的成分含量、电压及电流等，都是连续变化的物理量。所谓连续，是指这些物理量在时间上、数值上都是连续变化的连续变化的，这种连续变化的物理量通常称为模拟量。而计算机接收、处理和输出的只能是离散的、二进制表示的数字量。为此，在计算机控制和检测系统中，需要检测的自然界的模拟量必须首先转换为数字量（称为模-数转换或A/D转换），然后输入给计算机进行处理。而计算机输出的数字量（控制信号），需要转换为模拟量（称为数-模转换或D/A转换），以实现对外部执行部件的控制。6.1.1模拟信号获取及变换世界已经进入信息时代。在利用信息的过程中，首先要解决的就是要获取准确、可靠的信息，而传感器是获取信息的主要途径与手段。在工业生产过程中，有许多物理量是可以连续变化的模拟量，如位移量、温度、压力、流量、液位、重量等，在PLC作为主控设备的系统中，如果需要获取这些模拟量信息时，必须首先经过传感器将其物理量转换为相应的电量（如电流、电压、电阻），然后进行信号处理、变换成相应的标准量。该标准量通过模/数转换单元（A/D），将其转换为相应的二进制码表示的数字量后，PLC才能识别并进行处理。模拟信号的获取过程如图6-1所示。图6-1模拟信号获取过程1.传感器能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成相应的输出信号的器件或装置称为传感器。传感器通常由敏感元件和转换元件组成。顾名思义，传感器的功能是一感二传，即感受被测信息，并传送出去。传感器一般应由敏感元件、转换元件、转换电路组成。在工业生产过程中常用传感器有电阻应变式传感器、热电阻传感器、热电偶传感器、霍尔传感器、光电传感器、压力传感器、涡轮流量传感器等。（1）电阻应变式传感器电阻应变式传感器可以将位移、形变、力、加速度等被测物理量转换式成与之对应的电阻值。数字量标准电量电量电量物理量变送器模/数转换传感器201（2）热电阻传感器热电阻传感器利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前，较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点，用于测量-200℃～+500℃范围内的温度。经常使用的热电阻按其分度号有：PT100、PT1000、Cu50、Cu100。（3）热电偶传感器热电偶传感器利用两种不同金属导体其接点电势随温度变化而变化这一特性来测量温度的。用于测量0～+1800℃范围内的温度。经常使用的热电偶分度号有：B、E、J、K、S型等。（4）霍尔传感器霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器，广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。压力、流量、加速度等物理量常常需要先变换为位移，然后通过霍尔式位移传感器进行测量。霍尔效应是研究半导体材料性能的基本方法。通过霍尔效应实验测定的霍尔系数，能够判断半导体材料的导电类型、载流子浓度及载流子迁移率等重要参数。（5）光电传感器光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件将光信号转换成电信号。（6）涡轮流量传感器涡轮流量传感器可以实现对流量的精密测量，与相应的流量积算仪表配套可用于测量流量的显示值和总量积算。2.变送器变送器的功能是将物理量或传感器输出的信息量，转换为便于传送、显示和设备接收的直流电信号。变送器输出的直流电信号有0-5V、0-10V、1-5V、0-20mA、4-20mA等。目前，工业上最广泛采用的是用4~20mA标准直流电流来传输模拟量。变送器将物理量转换成4~20mA电流输出，必然要有外电源为其供电，其接线方式一般有二线制、三线制和四线制，如图6-2所示。所谓四线制是指变送器需要两根电源线，加上两根电流输出线；所谓二线制是指变送器需要的电源线和电流输出线公用二根线。目前二线制传感器在工业控制系统中得到广泛应有。四线制变送器二线制变送器202图6-2变送器接线方式由图6-2可以看出，两线制变送器，其供电电源、输出电流信号与负载（这里是电流表）是串联在一个回路中，其主要优点如下。1）二线制传感器不易受热电偶及传输电线电阻压降和温漂的影响，尤其在长距离传送时，可节省大量电缆线和安装费用。2）在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压不会产生显著影响，因为干扰源引起的电流极小，一般利用双绞线加屏蔽就能大大降低干扰的影响。3）电容性干扰会导致接收器电阻有关误差，对于4～20mA两线制环路，接收器电阻通常为250Ω（取样Uout=1～5V）这个电阻小到不足以产生显著误差，因此，可以允许的电线长度比电压遥测系统更长更远。4）各个单台示读装置或记录装置可以在电线长度不等的不同通道间进行换接，不因电线长度的不等而造成精度的差异，便于实现分散采集，集中控制。5）传感器输出电流下限为4mA（信号0），便于区别是信号0还是传感器（0mA状态）状态。图6-3所示为基于热电偶传感器的二线制变送器接线图。在图6-3中，被测温度通过热电偶传感器将其转换为相应的热电势（mv）输入给热电偶变送器，变送器采用二线制供电兼输出接线方式，24VDC电源的正极与变送器的V+连接、负极通过负载（一般为250电阻）与变送器的V-连接，变送器电流输出为与被测温度成线性关系的4～20mA标准信号电流。该电流通过250电阻将其转换为1~5V电压，作为A/D转换器的模拟量输入信号，A/D转换器输出的数字量信号可以直接输入给计算机进行处理图6-3热电偶变送器二线制接线方式6.1.2计算机闭环控制系统所谓闭环控制，是根据控制对象输出参数的负反馈来进行校正的一种控制方式。工业中常用的计算机闭环PID控制系统方框图如图6-4所示。一个闭环控制系统一般由以下基本单元组成。2031）测量装置。测量装置由传感器、变送器完成对系统输出参数（被控物理量）的测量。2）控制器。控制器由控制设备或计算机实现对输出量与输入量（给定值）比较后的控制算法运算（如PID运算）。3）执行器。执行器对控制器输出的控制信号进行放大，驱动执行机构（如调节阀或电动机、或加热器等）实现对被控参数（输出量）的控制。4）对象。对象是需要控制的设备或生产过程。被控设备（对象）输出的物理量（即被控参数或称系统输出参数），经传感器、变送器、A/D转换后反馈到输入端，与期望值（即给定值或称系统输入参数）进行相减比较，当二者产生偏差时，对该偏差进行决策或PID运算处理，其处理后的信号经D/A转换器转换为模拟量输出，控制执行器进行调节，从而使输出参数按输入给定的条件或规律变化。由于系统是闭和的，输出量的变化经变送器反馈到输入端与输入量进行比较，由于反馈的输出量与输入量相位相反，所以也称闭环控制负反馈系统。图6-4计算机闭环PID控制系统方框图图6-5为典型（多参数）计算机闭环控制应用系统结构图，其工作过程简述如下。图6-5典型计算机闭环控制应用系统在测控系统中，被控对象中的各种非电量的模拟量（如温度、压力、流量等），必须经........................模拟量数字量模拟量数字量........................................被控对象传感器传感器执行器执行器多路采样保持器A/D微型计算机D/A输出扫描保持控制开关量输入输出电路204传感器转换成规定的电压或电流信号，如把0～500℃温度转换成4～20mA标准直流电流输出等。在应用程序的控制下，多路采样开关分时地对多个模拟量进行采样、保持、并送入A/D转换器进行模-数转换。A/D转换器将某时刻的模拟量转换成相应的数字量，然后该数字量输入计算机。计算机根据程序所实现的功能要求，对输入的数据进行运算处理后，由输出通道的D/A转换器，将计算机输出的数字信号形式的控制信息转换为相应的模拟量，该模拟量经保持器控制相应的执行机构，对被控对象的相关参数进行调节，这样周而复始，从而控制被调参数按照程序给定的规律变化。6.1.3PID控制算法及应用特点在模拟量作为被控参数的控制系统中，为了使被控参数按照一定的规律变化，需要在控制回路中设置比例（P）、积分（I）、微分（D）运算及其运算组和作为控制器输出信号。S7-200设置了专用于PID运算的回路表参数和PID回路指令，可以方便地实现PID运算操作。1．PID算法在一般情况下，控制系统主要针对被控参数PV（又称过程变量）与期望值SP（又称给定值）之间产生的偏差e进行PID运算。其数学函数表达式为：式中M（t）：PID运算的输出，M是时间t的函数；e：控制回路偏差，PID运算的输入参数；Kp：比例运算系数（增益）；Ki：积分运算系数（增益）；Kd：微分运算系数（增益）。使用计算机处理该表达式，必须将其由模拟量控制的函数通过周期性地采样偏差e，使其函数各参数离散化，为了方便算法实现，离散化后的PID表达式可整理为：Mn=Kcen+Kc(Ts/Ti)en+MX+Kc(Td/Ts)(en-en-1)式中Mn：时间t=n时的回路输出；en：时间t=n时采样的回路偏差，即SPn与PVn之差；en-1：时间t=n-1时采样的回路偏差，即SPn-1与PVn-1之差；Kc：回路总增益，比例运算参数；Ts：采样时间；Ti：积分时间，积分运算参数；Td：微分时间，微分运算参数；比较以上两式可以看出，Kc=Kp，Kc(Ts/Ti)=Ki，Kc(Td/Ts)=Kd，MX是所有积分项前值之和，每次计算出Kc(Ts/Ti)en后，将其值累计入MX中。由上式可以看出：●Kcen为比例运算项P；●Kc(Ts/Ti)en为积分运算项I（不含n时刻前积分值）；●Kc(Td/Ts)(en-en-1)为微分运算项D；dtdeKedtKeKtMdip/)(205●比例回路增益Kp将影响Ki和Kd。在控制系统中，常使用的控制运算为●比例控制（P）：不需要积分和微分，可设置积分时间Ti=∞，使Ki=0；微分时间Td=0,使Kd=0。其输出Mn=Kcen●比例、积分控制（PI）：不需要微分，可设置微分时间Td=0，Kd=0。其输出Mn=Kcen+Kc(Ts/Ti)en；●比例、积分、微分控制（PID）：可设置比例系数Kp、积分时间Ti、微分时间Td，其输出Mn=Kcen+Kc(Ts/Ti)en+Kc(Td/Ts)(en-en-1)2.PID控制算法的应用特点（1）比例控制（P）比例控制是控制系统最基本的控制方式，其控制器的输出量与控制器输入量（偏差）成比例关系，输出量由比例系数Kp控制，比例系数越大，比例调节作用越强，系统的稳态误差就会减少。但是比例系数过大，调节作用强，会降低系统的稳定性。比例控制其特点是算法简单、控制及时，但系统会存在稳态偏差。（2）积分控制（I）积分控制是指控制器的输出量与控制器输入量（偏差）的成积分关系，只要偏差不为零，积分输出就会逐渐变化，一直要到偏差消失。系统偏差为0处于稳定状态时，积分部分不再变化而处于保持状态。因此，积分控制可以消除偏差，提高控制精度。积分控制输出量由积分时间常数Ti控制，Ti越小，积分控制作用就越强，消除偏差的速度就快，但增加了系统的不稳定性。积分控制一般不单独使用，通常和比例控制组成比例积分（PI）控制器，以实现消除系统稳态偏差。（3）微分控制（D）微分控制是指控制器的输出量与控制器输入量（偏差）的成微分关系，或者说，只要系统有偏差的变化率，控制器输出量就按期变化率的大小变化（而不管其偏差的大小），即使在偏差很小时，但其偏差的变化率存在，控制器输出仍然会产生较大的变化。微分控制反映了系统变化的趋势，因此，微分控制具有超前控制作用，即把可能即将要产生的较大的偏差提前予测到而实现超前控制。微分控制输出量由微分时间Td控制，微分时间常数越大，微分控制作用就越强，系统动态性能得到改善。但如果微分时间常数过大，系统输出量会出现小幅度振荡，系统的不稳定性增加。微分控制一般和比